激光切割

1965年，第一台生产的激光切割机被用在金刚石模具上钻孔。该机器由西方电气工程研究中心制造。^[2] 1967年，英国率先采用激光辅助氧气喷射切割金属。^[3] 在20世纪70年代早期，这项技术投入生产，用于航空航天应用中的钛切割。在同一时期， 二氧化碳激光被用来切割非金属材料，如纺织品，因为当时二氧化碳激光的威力还不足以克服金属的导热性。^[4]

激光束的生成需要激发激光材料，激光材料一般在密闭容器内通过电子放电或照射激发。当激光材料被激发时，光束通过部分反射镜在容器内部反射，直到它获得足够的能量以单色相干光流的形式逃逸。一般采用镜片或光纤将相干光导向透镜，透镜将激光聚焦在工作区域。聚焦光束最窄部分的直径通常小于0.0125英寸（0.32毫米）。根据材料厚度， kerf 切割缝宽最小为0.004英寸（0.10毫米）。^[5] 为了能够从边缘以外的地方开始切割，每次激光切割前都要进行穿孔。穿孔通常采用高功率脉冲激光束，它会在材料上慢慢打孔，例如对0.5英寸厚（13毫米）的不锈钢打孔需要大约5-15秒。

激光源发出的平行相干光的直径通常在0.06-0.08英寸（1.5-2.0毫米）之间。该光束通常被透镜或镜片增强和聚焦到大约0.001英寸（0.025毫米）的非常小的点，以产生非常强的激光束。为了在轮廓切割过程中获得尽可能平滑的光洁度，光束偏振方向必须随着工件轮廓周边旋转。对于金属板切割，焦距通常为1.5-3英寸（38-76毫米）。^[6]

激光切割相比于机械切割的优点在于更容易进行工件夹持和能够减少工件污染（因为没有会被材料污染或污染材料的切割刃）。并且激光切割的精度更高，因为激光束在加工过程中不会磨损。由于激光系统具有较小的热影响区，因此切割材料翘曲的可能性也降低了。此外，激光可以切割一些不能用传统方法切割的材料。

与等离子切割相比，激光切割金属的优点是切割精度更高，能量消耗更少；然而，大多数工业激光器不能很厚的金属，但等离子切割可以穿透它们。更高功率（6000瓦，早期激光切割机的额定功率为1500瓦）的新型激光切割机在切割厚材料时的能力接近等离子切割机，但这种机器的成本远高于能够切割钢板等厚材料的等离子切割机。

激光切割有三种主要类型的激光器。CO2激光器适用于切割、钻孔和雕刻。Nd激光器和Nd：YAG激光器的原理相同，只是应用领域不同。Nd激光器用于钻孔和需要高能量但低重复性工作的地方。Nd：YAG激光器用于需要很高功率的场合以及钻孔和雕刻。CO2和Nd：YAG激光器都可用于焊接。^[7]

CO2激光器通常是通过让电流流过气体混合物（直流激发）或使用射频能量（射频激发）来“泵浦”的。射频方法是一种较新的方法，并且逐渐被广泛采用。直流激发的设计要求电极在腔内，它们可能会受到电极腐蚀和在玻璃材料与光学器件上的电镀。而射频谐振器的电极在外部，它们不容易出现这些问题。二氧化碳激光适用于工业切割许多材料，包括钛、不锈钢、低碳钢、铝、塑料、木材、工程木材、蜡、织物和纸。而Nd：YAG激光器主要用于切割和刻划金属和陶瓷。

除了激光源之外，气流的类型也会影响切割性能。常见的CO2激光器谐振器有快轴流、慢轴流、横流和平板流。在快速轴流式谐振器中，二氧化碳、氦气和氮气的混合物通过涡轮机或鼓风机高速循环。横流激光器以较低的速度循环气体混合物，从而只需采用更简单的鼓风机。平板或扩散冷却谐振器具有不需要加压或玻璃器皿的静态气体场，从而节省了替换涡轮机和玻璃器皿的成本。

激光发生器和外部光学器件（包括聚焦透镜）需要冷却。根据系统尺寸和配置，废热可以通过冷却剂或直接传递到空气中。水是一种常用的冷却剂，通常通过冷却器或传热系统进行循环。

激光微射流是一种水射流导向激光器，脉冲激光束被耦合到低压水射流中。用于执行激光切割功能，水射流通过全内反射引导激光束，就像光纤一样。用水导向的好处是，水可以去除碎屑并冷却材料。与传统的“干式”激光切割相比，激光微射流还有切割速度快、切口平行度 kerf好和可以全向切割等优点。^[8]

光纤激光器是一种固态激光器，在金属切割行业得到了快速发展。与CO2激光器不同，光纤技术使用固体增益介质，而不是气体或液体。“种子激光器”产生激光束，然后在玻璃光纤中放大。光纤激光器的波长只有1.064微米，产生的光斑非常小（比CO2激光器小100倍），这使得它成为了切割反射金属材料的理想选择。这是光纤激光器与二氧化碳激光器相比的主要优势之一。^[9]

激光切割有许多不同的方法，不同的类型用来切割不同的材料。方法有气化法、熔吹法、熔吹燃烧法、热应力裂开法、划片法、冷切法和稳定燃烧激光切割法。

4.1 汽化切割法

在汽化切割过程中，聚焦光束将材料表面加热到沸点，并产生钥形孔。钥形孔会引起热吸收率突然增加，从而迅速加深孔的深度。随着孔的加深和材料的沸腾，产生的蒸汽侵蚀熔融壁，将喷出物吹出并进一步扩大孔。木材、碳和热固性塑料等非熔融材料通常用这种方法切割。

4.2 熔吹法熔融

吹塑或熔融切割使用高压气体将熔融材料从切割区域吹出，大大降低了功率需求。首先材料被加热到熔点，然后气体射流将熔融材料吹出切口，避免了进一步升高材料温度的需要。用这种方法切割的材料通常是金属。

4.3 热应力裂开法

脆性材料对热断裂特别敏感，热断裂是热应力裂纹的一个特征。激光光束聚焦在材料表面上，引起局部加热和热膨胀，从而导致裂纹出现。机器通过移动光速来引导裂纹出现。裂纹可以以米/秒的速度扩展。这种方法通常用于切割玻璃。

4.4 硅晶的隐形切割

在半导体器件制造中，制备的微电子芯片从硅晶片上的分离过程可以通过所谓的隐形切割工艺来进行，该工艺利用Nd：YAG激光器实现，因为该激光器的波长（1064纳米）与硅的电子带隙（1.11电子伏或1117纳米）有很好的适配性。

4.5 反应切割

又称“燃烧稳定激光气体切割”、“火焰切割”。反应切割就像氧气喷枪切割一样，但使用激光束作为点火源。主要用于切割厚度超过1毫米的碳钢。该工艺可以用相对较小的激光功率切割非常厚的钢板。

激光切割机的定位精度为10微米，重复性精度为5微米。

表面粗糙度Rz随板材厚度增加而增加，但随激光功率和切割速度降低。当用800瓦的激光功率切割低碳钢时，1毫米厚的钢板的Rz为10微米，3毫米厚的钢板为20微米，6毫米厚的钢板为25微米。Rz可以表示为：

其中：   钢板厚度（mm ）;   以千瓦为单位的激光功率（一些新型激光切割机的激光功率为4 千瓦）；   切割速度，单位为米/分钟^[10]。

激光切割工艺能够保持非常小的公差，通常在0.001英寸（0.025毫米）以内。零件的几何形状和机器的机械可靠性与公差有很大关系。激光束切割产生的典型表面光洁度在125至250微英寸（0.003毫米至0.006毫米）的范围内。^[7]

工业激光切割机通常有三种不同的类型：移动材料型、移动激光系统型和混合型。这些型式指激光束在要切割或加工的材料上移动的方式。对于所有的机器类型，运动轴通常被指定为X轴和Y轴。如果切割头可被控制，则将它指定为Z轴。

移动材料型激光器有一个固定的切割头，材料在它下面移动。这种方法使得激光发射器到工件的距离恒定，并使切割流出物可以从单点移除。该类型需要较少的光学器件，但需要移动工件。这种类型的机器往往具有最少的光束传输光学器件，但也往往是最慢的。

混合型激光器提供了一个沿一个轴（通常是X轴）移动的工作台，与一个沿较短的Y轴移动的激光切割头。与移动激光系统型的激光器相比，混合型激光器具有更恒定的光束传输路径长度，并且可以采用更简单的光束传输系统，因此可以降低传输系统的功率损耗，并提高每瓦的容量。

移动激光系统型激光器的特点是有一个固定的工作台和一个切割头（带激光束），切割头在工件的两个水平方向上移动。移动型切割器在加工过程中工件保持静止，通常不需要夹紧材料。并且移动质量是恒定的，因此运动不受工件尺寸变化的影响。移动激光型激光器的切割速度是最快的，这在切割较薄的工件时是有利的。^[11]

移动激光型激光器必须采用一些方法以克服光束长度从近场（接近谐振器）切割到远场（远离谐振器）切割的变化。常用方法包括准直法、自适应光学法或使用恒定的光束长度轴。

五轴和六轴的机器也可以切割成型工件。此外，有各种方法可以将激光束定向到成形工件，并保持适当的焦距和喷嘴间距等等。

6.1 脉冲

在一些激光切割过程中，特别是对于穿孔，或者当需要非常小的孔或者非常低的切割速度时，在短时间内提供高功率能量爆发的脉冲激光器非常有效，因为如果使用恒定的激光束，产生的热量可能将整个工件融化。

大多数工业激光器能够在数控程序控制下脉冲或切割连续波。

双脉冲激光器使用一系列脉冲对来提高材料去除率和孔质量。第一脉冲从表面去除材料，第二脉冲防止喷射器粘附到孔或切口的侧面。^[12]

激光切割的主要缺点是高功耗。工业激光器的效率范围为5%到45%。^[13] 任何特定激光器的功耗和效率根据输出功率和工作参数的变化而变化。并取决于激光器的类型以及激光器与作业的匹配程度。特定作业所需的激光切割功率（称为热输入）取决于材料类型、厚度、使用的工艺（反应/惰性）和所需的切割速度。

激光切割的最大切割速率（生产率）受到许多因素的限制，包括激光功率、材料厚度、工艺类型（反应性或惰性）和材料特性。普通工业系统（≥1 kW）需要切割厚度为0.51-13毫米的碳钢金属。实际上，激光的速度比标准锯切割快30倍。^[15]